Транзисторно-транзисторная логика

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ; Transistor-Transistor Logic, TTL) — способ преобразования дискретной информации с помощью электронных устройств, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики). ТТЛ-принцип построения микроэлектронных схем означает, что транзисторы соединены между собой непосредственно. ТТЛ-схемы имеют большее быстродействие, чем аналогичные микросхемы, построенные по КМОП-техно-логии, однако потребляют больше электроэнергии и требуют стабильной работы источников питания.

ТТЛ применяется в персональных и промышленных компьютерах, в контрольно-измерительной аппаратуре и др. Входные и выходные цепи электронного оборудования выполняются совместимыми по электрическим характеристикам с ТТЛ. Технология ТТЛ стала известной среди разработчиков электронных систем в 1962 году, когда фирма Texas Instruments представила серию интегральных микросхем 7400. Эта серия микросхем стала промышленным стандартом. ТТЛ-микросхемы стали первыми приборами, применение которых позволило внедрить цифровые методы обработки информации для задач, ранее решавшихся исключительно аналоговыми методами.

Питание ТТЛ-схем осуществляется от одного источника напряжением + 5 В. Схема ТТЛ-элемента, выполняющая функцию И-НЕ, показана на рис. 3.4, а.

На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VТ1. (при рассмотрении принципа работы схемы, для большей наглядности двухэмиттерный транзистор можно заменить на два параллельно соединенные транзисторы, как показано на рис. 3.4, б). Если на оба эмиттера VT1 подать напряжения высокого уровня, то эмиттерный переход транзистора окажется закрытым. При этом ток, протекающий через резистор R₁ и коллекторный переход транзистора VТ1, откроет транзистор VТ2. Падение напряжения на резисторе R_З будет достаточным для открывания транзистора VТ5. Напряжение на коллекторе транзистора VТ2 таково, что транзистор VТЗ закрыт, соответственно закрыт и транзистор VТ4. В результате на выходе элемента появится напряжение низкого уровня, соответствующее логическому 0. Если же хотя бы на один из входов элемента подать напряжение низкого уровня, то эмиттерный переход транзистора VТ1 откроется, а транзисторы VТ2 и VТ5 будут закрыты. Транзистор VТЗ откроется за счет тока, протекающего через резистор R₂, войдет в режим насыщения. Соответственно откроется транзистор VТ4, и на выходе элемента появится напряжение высокого уровня, соответствующее логической 1. Следовательно, рассмотренный элемент выполняет функцию И-НЕ.

В состав микросхем серий ТТЛ входит также логический элемент И-НЕ без коллекторной нагрузки в выходном каскаде. Это так называемый элемент И-НЕ с открытым коллектором. Он предназначен для работы на внешнюю нагрузку, в качестве которой могут быть использованы электромагнитные реле, индикаторные приборы и т. д.. Кроме того, схемы с открытым коллектором применяются в шинах передачи данных в случае, когда две или более выходов подключены к одной физической линии.

Рис. 3.4. Транзисторно-транзисторная логика:

а – схема элемента ТТЛ; б – транзисторная схема, аналогичная двухэмиттерному транзистору; в – добавление диода Шоттки

для предотвращения насыщения

Выходной двухтранзисторный каскад создает ряд проблем. При изменении состояния на выходе на краткий промежуток времени открываются оба транзистора. Это вызывает короткий сильный импульс тока от источника питания. Величина импульса может доходить до 100 мА, что на практике служит источником помех. Поэтому часто в таких схемах прибегают к развязке схемы от шины питания при помощи конденсатора емкостью 0,01 мкФ.

Кроме того, в ТТЛ-схемах транзисторы работают в режиме насыщения, из-за чего возникает проблема, связанная с так называемым явлением накопления заряда. При этом переключение транзистора, находящегося в режиме насыщения, происходит с задержкой в несколько наносекунд. Эффект накопления заряда устраняют введением в схему диода Шоттки, как это показано на рис. 3.4 в.